Як відбувається балансування елементів високовольтного акумулятора?

Не секрет, що великі високовольтні батареї в сучасних електромобілях складаються з безлічі маленьких акумуляторних елементів. Найкраще, коли всі вони злагоджено працюють на одному рівні напруги. Це досягається за допомогою балансування елементів.

Літій-іонна батарея в електромобілі складається з приблизно 100 окремих елементів, з’єднаних послідовно. При такому масовому послідовному з’єднанні неминуче, що не всі елементи мають стовідсотково однакову напругу. Тож як досягти стану заряду (SOC) до 100 відсотків через велику кількість послідовних з’єднань? Цю функцію виконує балансування елементів, інтегроване в систему управління акумулятором (BMS), що дозволяє уникнути стану заряду, який зосереджується на найнижчому елементі і значно зменшує запас ходу автомобіля. Балансування елементів може бути пасивним або активним, залежно від вибору виробника транспортного засобу.

Для того, щоб досягти необхідної напруги для приводу транспортного засобу, зазвичай 400 вольт для електромобілів, велика кількість елементів повинна бути з’єднана послідовно. Наприклад, щоб забезпечити напругу приблизно 400 В у Ford Mustang Mach-E, послідовно з’єднані 94 елементи з напругою 3,9 В. Однак, оскільки ємності буде недостатньо для забезпечення електродвигуна струмом, щоб створити максимально можливу тягу, комплекти елементів з’єднуються паралельно.

У Ford Mustang Mach-E чотири комірки з’єднані паралельно, що логічно збільшує ємність батареї в чотири рази. Ця збірка відома під назвою «98s4p».

Елементи акумулятора дрейфують в різні боки

Через виробничі допуски між елементами існують відмінності в якості, пов’язані з виробництвом, що призводить до різної ємності. Їхнє розташування в модулі та охолодження також можуть впливати на їхню ємність. Нарешті, старіння елементів також може мати різні наслідки.

Під час заряджання паралельно з’єднані блоки елементів вирівнюють один одного, оскільки рівень струму в них може відрізнятися. Однак це не відбувається з послідовно з’єднаними елементами, оскільки слабші елементи, які заряджаються швидше, більше не поглинають струм, коли вони досягають 100-відсоткового рівня заряду, що запобігає зарядженню окремих елементів і, отже, їхньому можливому пошкодженню. Заряджання інших елементів у блоці з кращою ємністю припиняється.

І навпаки, система запобігає подальшому розряду батареї, як тільки найслабший елемент досягає межі глибокого розряду. Елементи батареї, особливо літієві, дуже чутливі до перезарядження і глибокого розрядження, оскільки це призводить до розігріву.

Система керування акумулятором (BMS)

Система керування батареєю включає в себе функцію оцінки стану заряду (SoC) на основі вимірювань напруги, температури і струмів заряду і розряду на кожному елементі або групі елементів.

Однією з основних функцій BMS є вирівнювання елементів, також відоме як балансування елементів, коли дрейф елементів перевищує певне значення. Це може відбуватися після завершення процесу заряджання, якщо зарядний штекер не було негайно витягнуто із зарядної станції. Процес заряджання триває доти, доки навіть найслабша батарея не досягне своєї максимальної ємності, не перезаряджаючи при цьому вже заряджені елементи всієї акумуляторної батареї.

Крім того, система управління батареєю може бути сконструйована таким чином, що балансування елементів відбувається, коли автомобіль не використовується.

Пасивне балансування комірок

Пасивне балансування є економічно ефективним методом, оскільки до системи керування акумулятором (BMS) потрібно додати дуже мало компонентів. У цьому методі використовується резистор, який підключається до відповідної комірки через перемикач (MOSFET) і контролюється системою BMS. Якщо BMS виявляє дисбаланс у комірках, на що вказує підвищена напруга на комірці, вона активує вирівнювальні резистори.

Резистори споживають енергію від відповідних елементів і таким чином вирівнюють напругу елементів.

Як показано на попередньому зображенні, SOC всіх клітин вирівнюється до найнижчого, що є вкрай неефективним методом. Для цього енергія, що виділяється, перетворюється на тепло. Рівень вирівнювального струму визначає кількість тепла, що генерується, і підвищення температури на BMS. З цієї причини рівень вирівнювального струму обмежується максимум одним ампером на комірку. Будь-який вищий струм призведе до перегріву і проблем з безпекою.

Активне балансування комірок

Активне балансування набагато складніше, але ефективніше. Воно передбачає перенесення заряду між елементами: енергія від елементів з більшим зарядом передається елементам з меншим зарядом, наприклад, за допомогою конденсаторів. Система контролю заряду складається з декількох спеціально оптимізованих для даного застосування перемикаючих регуляторів, які працюють на кожну комірку і активно передають енергію. Цей процес може відбуватися вже під час заряджання. Основною перевагою активного балансування є значно вища ефективність, оскільки лише невелика кількість надлишкової енергії перетворюється на тепло. Однак, незважаючи на його переваги, більшість автовиробників не використовують цей технічно складніший процес, а натомість працюють виключно з пасивним балансуванням.

Високовольтний балансувальний модуль

Заміна всієї літій-іонної акумуляторної батареї була б високим фінансовим тягарем для клієнта, а також була б сумнівною з екологічної точки зору. Тому багато виробників транспортних засобів можуть замінити дефектний окремий модуль, а це означає, що витрати на ремонт можна контролювати.

Якщо система керування акумулятором виявляє дефектний окремий модуль, його необхідно замінити на новий. Однак цей окремий модуль повинен бути доведений до такого ж стану заряду, як і інші в акумуляторній батареї; це називається балансуванням масиву.

Перед тим, як встановити новий модуль в існуючий акумуляторний блок, його необхідно довести до стану заряду решти модулів за допомогою високовольтного балансувального модуля. З цієї причини напруга заряду окремих модулів повинна бути визначена за допомогою діагностичного пристрою до того, як акумуляторна батарея буде знята. Зарядна напруга передається на високовольтний модуль балансування за допомогою коду, згенерованого діагностичним пристроєм.

Дуже важливо, щоб елементи були добре збалансовані по всій батареї. Це означає, що елементи заряджаються та/або розряджаються (приблизно дві-три години), поки напруга не вирівняється з точністю до 50 мВ. Якщо вирівнювання не відбувається, система керування батареєю (BMS) розцінює різницю в напрузі елементів як несправність і не замикає контактори, а це означає, що автомобіль не буде показувати, що він готовий до руху. Після завершення процесу вирівнювання видається звіт про випробування, і окремий модуль можна встановлювати в акумуляторну батарею.

Висновок

Не потрібно турбуватися про балансування елементів. Система керування батареєю зазвичай надійно запобігає перезарядженню та глибокому розрядженню окремих елементів і зазвичай забезпечує оптимальний стан заряду елементів за допомогою балансування елементів. Однак при заміні окремого модуля акумулятора його необхідно збалансувати перед установкою, щоб він працював належним чином з наявними (старими) модулями.